電解飽和食鹽水及氫氯燃料電池的創新設計

摘 要：在普通高中化學人教版教材選修四第四章第三節第80頁電解原理的應用，以及高中化學人教版教材必修一第二章第二節第44頁氫氧燃料電池原理，推廣應用中涉及燃料電池和電解池的實驗大多為理論知識，較為抽象，為了在實驗過程中能觀察到明顯現象，對該實驗進行了改進創新。

關鍵詞：電解池；燃料電池；電壓表；電流表

普通高中課程標準實驗教科書人教版化學選修4第四章第三節電解池圖4-8電解CuCl2的實驗裝置圖是高中化學電解的一個模板裝置圖，其裝置簡單，存在著不足之處。首先，該裝置展示了電解飽和食鹽水的模板和思路，該實驗中沒有明確直流電源的電壓值以及具體使用何種直流電源。其次，該裝置中產生H2、Cl2、NaOH沒有明確如何檢驗各種產物的方法。再次，該實驗中會產生有毒氣體Cl2，直接排放到空氣中污染空氣，產生NaOH具有強烈的腐蝕性，沒有明確處理方法等。基于上述情況，對該實驗裝置進行改進，用于電解飽和食鹽水并對產生的產物進行檢驗、利用，改裝成一個綜合性多功能實驗。其目的是在化學教學中，能將電解的過程清晰地展現在學生的視野中，將抽象的問題具體化。尤其是將產生的氣體自發進行氧化-還原反應形成燃料電池并產生的電流用于帶動電動機，并可以通過電流表、伏特表將產生的電壓、電流具體數值讀出，能激發學生學習的積極性以及對自然科學的深入認知。

實驗用品：木板、輸液管、變壓器（將交流電變壓經硅整流器變為直流電）、電鍵、發光二極管、電動機、導線若干、碳棒、注射器、塑料容器、塑料管、塑料杯、具支試管、鑷子、礦泉水、食鹽、酚酞試液、淀粉碘化鉀試紙、火柴、肥皂水等。

創新實驗裝置圖：

改進一：對電壓的改進，將變壓器固定在木板上，通過變壓器將220V的交流電變壓器變壓為9V交流電之后再通過硅整流二極管轉化為9V直流電源，用于電解電源，這樣制作的電源安全、可靠、使用方便。

改進二：取用一個塑料瓶作為容器，在塑料蓋上插上一條塑料管用于平衡內外氣壓，當瓶內產生氣體時，壓強增大，液面上升到塑料管內。電解完成，水柱對氣體產生壓強又使得H2與Cl2充分接觸，紅線與碳棒連接后再與電源正極（+）相連作陽極，將產生Cl2通過導氣管導出。在出口處用淀粉碘化鉀試紙檢驗，并在產生Cl2導氣管口蓋上一個塑料蓋，防止產生的氯氣逸出污染空氣；在藍線與碳棒連接后再與電源負極（-）極相連作陰極產生H2通過導氣管導出，在出口處通過裝有肥皂水的具支試管將產生的氫氣聚集起來，用火柴點燃，觀察火焰顏色以及聽爆鳴聲，并用盛有酚酞試液的注射器從產生H2一端的導氣管中注入容器中，用于檢驗NaOH。

改進三：在塑料容器中盛放一小塑料杯，杯中加入飽和食鹽水，目的是節約藥品，并用塑料蓋蓋上使整個操作在密閉容器中進行。

改進四：單刀雙擲開關一端閉合，此時為電解飽和食鹽水，紅線是電源的正極（+）產生Cl2、藍線是電源的負極（-）產生H2，斷開電鍵時電解過程完成；閉合另一端為燃料電池，發光二極管以及電動機用于顯示有無電流產生。

改進五：并聯電壓表、串聯電流表、電動機用于觀察H2、Cl2形成燃料電池后的電壓值、電流值，通過電動機的轉動說明化學能轉化為電能、電能又轉化為機械能。

實驗過程：

1. 連接好裝置后，將配制好的NaCl飽和溶液放入小塑料杯中，在大小塑料容器中加滿水，蓋上塑料蓋，接好導線。閉合電鍵，電解開始，一段時間后，打開與陽極相連的導氣管出口，用潤濕的淀粉KI試紙檢驗陽極產生的氣體，試紙變藍，說明產生了Cl2；陰極產生的氣體在具支試管中，通過肥皂水聚集后點燃，產生爆鳴聲，說明產生了H2；再用裝有酚酞試液的注射器從陰極導氣管出口處注入，觀察陰極區溶液顏色的變化，溶液變成紅色，說明產生了NaOH。

總反應：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑

陰極：2H++2e-H2↑（點燃）

陽極：2Cl-+2e-Cl2↑（用潤濕的淀粉碘化鉀試紙）

NaOH （用酚酞試液）

燃料電池：

H2+Cl22HCl（發光二極管、電動機帶風扇、電壓表、電流表）

2. 關閉電源，將電鍵斷開后，此時，電解完成；連接另一端，產生的H2、Cl2與發光二極管和電動機形成一個串聯的閉合回路，在碳棒的催化作用下，自發產生了氧化——還原反應，觀察發光二極管發光、電動機轉動起來，此時還可以觀察到電壓、電流的具體數值，便知H2、Cl2形成了燃料電池，H2、Cl2產生的HCl溶于水形成的鹽酸中和了電解過程中產生的NaOH。整個實驗從電解池到原電池都在密閉系統中進行，且產物又相互中和，達到了實驗的目的。

綜上，該實驗的優點是，操作簡單、現象明顯、取材方便、安全可靠、可以重復使用、節約藥品、環保，適用于中學化學中所有電解實驗以及氫氧燃料電池、甲烷燃料電池、氫氯燃料電池等實驗。

參考文獻：

[1]普通高中化學人教版教材必修一.

[2]陳達.《化學教學》電解飽和食鹽水實驗的新改進.

[3]普通高中化學人教版教材選修四《化學反應原理》.

[4]蘇小云，陳灝.《無機化學》下冊[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1993.

作者簡介：劉懷敏，貴州省黔南布依族苗族自治州，貴州省甕安第二中學。